Вісник Національного технічного університету «ХПІ». Серія: Енергетичнi та теплотехнiчнi процеси й устаткування

Математичне моделювання і розрахункове дослідження термо та газодинамічних процесів в пошкоджених проточних частинах парових турбін

Олександр Усатий — 2025-12-30

Складний стан енергосистеми України, викликаний пошкодженням енергогенеруючого обладнання багатьох теплових електростанцій характеризується значним дефіцитом електроенергії власного виробництва. Ступінь пошкодження проточних частин енергетичних парових турбін характеризується різноманітністю щодо місця пошкодження і його масштабу. Серед пошкоджених турбін є і такі, що за умови проведення профілактичних ремонтних робіт можуть бути використані в процесі генерації електроенергії при більш низьких навантаженнях. Для оцінки можливості використання, а також оцінки необхідного рівня зниження навантаження для таких турбін отримала подальше удосконалення математична модель термо та газодинамічних процесів в проточних частинах. На базі удосконаленої математична моделі та розроблених алгоритмів виконані тестові розрахунки проточної частини циліндру високого тиску парової турбіни К-310-240 з моделюванням різних варіантів пошкодженості, а саме відсутності соплових та/чи робочих решіток в декількох ступенях одночасно. Проведені розрахункові дослідження дозволили оцінити вплив на можливість та ступінь раціональності подальшої роботи циліндру турбіни та визначити рівень його навантаження в залежності від варіанту пошкодженості проточної частини.

Вплив параметрів нециліндричності течії на показники економічності елементарного турбінного ступеня

Олександр Лапузін — 2025-12-30

Розроблена методика одномірного розрахунку турбінного ступеня з довільними меридіональними обрисами, яка дозволяє з урахуванням стисливості газового середовища аналізувати вплив на ступінь реактивності, показники економічності і параметри потоку перед і за робочим колесом (РК) двох безрозмірних режимних критеріїв ступеня, коефіцієнтів швидкості соплової і робочої решіток, кутів одномірного просторового вісесиметричного потоку перед і за робочим колесом та деяких інших параметрів. Розглянутий вплив чотирьох параметрів нециліндричності течії на ступінь реактивності ступеня і коефіцієнти корисної дії (ККД). Гідравлічний ККД ступеня практично не залежить від ступеня розширення струминки течії у РК і величини радіальної складової швидкості потоку за РК, але суттєве підвищення радіальної складової швидкості потоку перед РК і збільшення радіуса струминки течії у РК зменшують цей ККД на декілька відсотків навіть тоді, коли коефіцієнт швидкості робочої решітки вважається постійною величиною. Відносний лопатковий ККД і потужність ступеня визначаються особливостями тривимірної в’язкої течії в решітках, які впливають на величину коефіцієнтів швидкості і характер зміни радіальної складової швидкості в межах ступеня, що потребує додаткових досліджень. В міжлопаткових каналах РК ступеня конічного типу радіальна складова швидкості зберігається на високому рівні, що обумовлює дуже високі втрати з вихідною швидкістю і зменшення відносного лопаткового ККД на 6 % – 8 %. Набагато менше на цей ККД впливає ступінь розширення струминки течії у РК.

Огляд сучасного стану проблеми плівкового охолодження лопаток газових турбін

Олег Шевчук — 2025-12-30

Створення й розвиток газотурбінних двигунів іде шляхом підвищення ККД вузлів і параметрів циклу, зокрема підвищення температури газу на вході в турбіну. Високі температури газу вимагають впровадження в конструкцію охолоджуваних деталей і вузлів турбіни. В першу чергу це стосується соплових і робочих лопаток газових турбін, сучасні зразки яких працюють при надвисоких температурах газу, а саме до 2000 К і вище. Для забезпечення надійної роботи лопаток поряд з конвективним (внутрішнім) охолодженням застосовується плівкове (зовнішнє або загороджувальне) охолодження, яке полягає у випуску охолоджувача на поверхні лопатки, що захищаються, з метою відтискування від них гарячого газу. Робочі лопатки з плівковим охолодженням почали свій розвиток у 1970-х роках, але є актуальними і в наш час, маючи місце в новітніх системах охолодження як, наприклад, лопатки з подвійною стінкою, або лопатки, що можуть бути вироблені за допомогою технологій 3D друку. На ефективність плівкового охолодження впливає ряд факторів, таких як розташування отворів перфорації щодо газового потоку (кути нахилу вісі отвору до стінки і до напрямку основного потоку), форма й щільність отворів перфорації плівкового охолодження, число рядів і відстань між рядами отворів, відносна довжина отворів, кривизна й шорсткість поверхні, наявність теплозахисного покриття, а також параметр вдуву отвору плівкового охолодження. Підвищення ефективності систем плівкового охолодження не тільки підвищує ресурс лопатки, але і зменшує відбори охолоджуючого повітря із-за компресора ГТД, що покращує характеристики двигуна. В області плівкового охолодження проведено великий обсяг робіт. В даній оглядовій публікації були розглянуті переважно найновіші (2020 – 2025 роки) статті, що стосуються систем плівкового охолодження лопаток газових турбін. Метою даної роботи є аналіз сучасних тенденцій в області плівкового охолодження: перспективні типи систем плівкового охолодження лопаток, вплив геометричних і режимних параметрів на ефективність охолодження, проблеми що вирішуються при проектуванні і розрахунку плівкового охолодження.

Надзвуковий ежектор із тангенціальним надзвуковим соплом

Генадій Воропаєв — 2025-12-30

Витратні та імпульсні характеристики надзвукових ежекторів, де, як правило, взаємодіють надзвуковий потік з дозвуковим, визначаються не тільки площею взаємодії надзвукового струменя з ежектуючим потоком, але і полем тиску в камері змішування ежектора, яке в свою чергу залежить не тільки від числа Маха, а і від ступеня розрахунковості надзвукового струменю відносно осі камери змішування. У статті розглядається здатність кільцевого надзвукового струменя, який витікає з тангенціального сопла, генерувати в осесиметричній камері змішування хвилю розрідження (подібну до простої хвилі розрідження в плоскому випадку – течії Прандтля-Майєра), що підвищує ефективність ежектуючого струменя в надзвуковому ежекторі в порівнянні із осесиметричним надзвуковим струменем. Показано, що витратні характеристики осесиметричних надзвукових ежекторів з кільцевим тангенціальним соплом при числах Маха в діапазоні 2 – 4 можуть суттєво перевищувати ежектуючі характеристики надзвукових ежекторів з осесиметричним струменем.

Підготовка та очищення сировини для каскадної екструзії плоских полімерних ниток

Владислав Денисюк — 2025-12-30

У статті розглядається проблема підготовки сировини для каскадної екструзії плоских полімерних ниток, що залишається надзвичайно актуальною через зростання вимог до якості в текстильній, пакувальній та автомобільній галузях. Традиційні методи, такі як сушіння гарячим повітрям і механічне очищення, не можуть адекватно видалити мікрозабруднення та вологу (>0,1%), що призводить до дефектів поверхні та рівня браку від 2% до 5%. Дана робота розробляє інтегровану систему підготовки для каскадного дисково-шестеренного екструдера, що включає ультразвукове очищення (20–40 кГц, ефективність 95–99%), адаптивне вакуумне/мікрохвильове сушіння (вологість <0,01%) та спектроскопію в ближній інфрачервоній області (NIR) (800–2500 нм). Методологія базується на математичних моделях кавітації, дифузії вологості та спектрального аналізу. Результати демонструють зниження рівня браку до 0,5%, енергоспоживання 0,25 кВт·год/кг та стабільність тиску ±0,5%. Практичне значення полягає в імпортозаміщенні та ресурсоефективності для малих і середніх підприємств. Загалом, розроблена система забезпечує високу якість ниток і повністю відповідає сучасним стандартам сталого розвитку. Дане дослідження пропонує комплексне рішення для модернізації переробки полімерів.

Аналіз фізичних основ ультразвукової деагломерації пігментів у процесі виробництва суперконцентратів полімерних барвників методом екструзії

Віталій Денисюк — 2025-12-30

У статті проведено аналіз фізичних механізмів ультразвукової деагломерації пігментів у процесі екструзії суперконцентратів полімерних барвників. Розглянуто дію кавітаційних ефектів, шокових хвиль і мікроструменів, що утворюються під впливом ультразвуку в полімерному розплаві та сприяють руйнуванню агломератів пігментів. Обґрунтовано вплив ультразвуку на реологічні властивості полімерної матриці, зокрема зниження в’язкості та покращення плинності розплаву, що забезпечує більш рівномірний розподіл частинок барвника. Представлено математичні моделі динаміки кавітаційних бульбашок, фрагментації агломератів і зміни в’язкості під дією ультразвуку. Наведено приклади застосування ультразвуку для диспергування пігментів TiO₂ та CaCO₃ у поліетилені, поліпропілені та інших полімерах. Встановлено оптимальний діапазон частот (20–40 кГц), за якого спостерігається максимальне зменшення в’язкості та інтенсифікація кавітації. Показано, що ультразвукова екструзія дозволяє покращити якість суперконцентратів, зменшити витрати енергії та підвищити стабільність кольору кінцевих матеріалів. Отримані результати мають практичне значення для вдосконалення технології виробництва полімерних барвників і створення високоефективних композиційних матеріалів.

Валідація та аналіз моделі обчислювальної гідродинаміки (CFD) теплообмінника у процесі підігріву нафти на установці елекрознесолення та атмосферно-вакуумної трубчастої установки (ЕЛЗУ-АВТ)

Сергій Кубах — 2025-12-30

Ефективний підігрів сирої нафти є критично важливим етапом у ланцюгу її видобутку, транспортування та переробки на установці електрознесолення та атмосферно-вакуумної трубчастої установки (ЕЛЗУ-АВТ). Ключовою проблемою є висока в’язкість та складні реологічні властивості нафти за пластових або навколишніх температур, що унеможливлює її економічно доцільне перекачування трубопроводами через надмірні гідравлічні опори та високі енерговитрати на роботу насосних станцій. Окрім цього, низькі температури сприяють інтенсивній парафінізації обладнання, що знижує пропускну здатність комунікацій та ефективність теплообміну. Метою роботи є створення моделі обчислювальної гідродинаміки кожухотрубного теплообмінника для валідації та подальшої ідентифікації, здатної з високою точністю прогнозувати теплогідравлічні процеси. Представлено результати дослідження моделі обчислювальної гідродинаміки (CFD) кожухотрубного теплообмінника у процесі початкового підігріву нафти, яка є обов’язковою технологічною операцією. Оптимізація цього процесу безпосередньо впливає на енергозбереження, енергоефективність, надійність та економічні показники всієї системи. Наукова новизна роботи полягає в розробці та валідації тривимірної CFD-моделі процесу в теплообмінному апараті для підвищення енергетичної ефективності, яка враховує специфічні температурно-залежні фізичні властивості (в’язкість, густина, теплоємність) нафти, що видобувається у родовищах України. Це дозволяє підвищити точність прогнозування теплогідравлічних характеристик порівняно зі стандартними моделями, що використовують усереднені або загальні властивості. Для моделювання використовувалася скінченно-елементна CFD-модель апарату в середовищі програмного комплексу Comsol з визначенням відповідних параметрів роботи теплообмінника. Верифікація проводилася для випадку початкового нагрівання нафти в процесі опріснення. Для аналізу результатів CFD-моделювання використовувалися показники полів швидкості та температури реагуючих потоків .За допомогою графічного аналізу полів швидкостей (CFD) було виявлено, що причиною розбіжності є утворення значних застійних зон за сегментними перегородками, які ігноруються аналітичною методикою. Показано, що відхилення значень температури в середині CFD-моделі від даних, взятих з доступної літератури та інших наукових робіт, не перевищує 5,05 %, що дозволяє використовувати її як науково-обґрунтований інструмент для аналізу та оптимізації роботи промислових теплообмінників як альтернативу узагальнених аналітичних методик. Перевірена комп’ютерна модель дозволить створити карту режимів, оптимізувати роботу енергетичного устаткування та отримати дані ідентифікації для подальшої розробки системи керування та коригування характеристик теплообмінника.